JP3649950B2 - 冷却部品取付方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、LSIチップ等の電子部品に、放熱フィンの形成された冷却ジャケット等の冷却部品を取り付ける冷却部品取付方法及び、冷却部品の取り付けられたモジュール封止方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子計算機に使用されるモジュールでは、例えば、特開平4−314358号公報や特開平4−147656号公報に記載されているように、LSIを多数実装したセラミック基板に、放熱フィンの形成された水冷ジャケットを取り付けて形成するとともに、モジュール内に伝熱効果のある液体冷却媒体を封入し、LSI等からの発熱を、冷媒及び放熱フィンを介して、外部に放熱している。
【0003】
しかしながら、高密度電子計算機の小型化および処理速度向上に伴い、モジュール内に実装されるLSIは高密度化,高集積化が進み、LSIの発熱量が増大してきている。その結果、従来のような冷媒及び放熱フィンを介した冷却構造では、充分な冷却が出来ないものである。
【0004】
そこで、例えば、特開平8−172148号公報に記載されているように、LSIとジャケットをはんだ材等で固着する冷却構造が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平8−172148号公報に記載されているはんだ材による固着構造では、固着部にボイドが発生すると、熱伝導率が低下するため、冷却性能が低下するという問題があることが判明した。
本発明の第1の目的は、LSIと水冷部品をはんだ材等で固着する冷却構造においても、冷却性能が向上した冷却部品取付方法を提供することにある。
【0006】
また、第1の目的を達成するための方法として、はんだ材による加圧固着方式を取った際、モジュール内部が加圧状態で封止されることとなるため、モジュールの動作時にモジュール内部が高温になると、内部圧がさらに高まるため、LSI等の破壊の問題が発生することが判明した。
本発明の第2の目的は、モジュールの内部圧を低圧に保つことのできるモジュール封止方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記第1の目的を達成するために、本発明は、下ヒータの上に冷却部品を載置し、上下動可能な上ヒータに基板を保持し、上記冷却部品の上に供給されたハンダを溶融して、 基板に取り付けられた電子部品に、冷却部品をハンダ固着により取り付ける冷却部品取付方法において、上記電子部品と上記冷却部品を溶融したハンダを介して接触させるとともに、加圧雰囲気中で、上記電子部品と上記冷却部品を固着した後、大気戻しをするとともに、ハンダ溶融後において、ハンダ同士が接触するまでの上ヒータの下降速度v2を、その後の固着速度v3よりも早くするようにしたものである。
かかる方法により、電子部品と冷却部品とは加圧雰囲気中でハンダ固着されるため、ハンダ中のボイドの体積を小さくして、電子部品の発熱を冷却部品から放熱することによる冷却効率を向上し得るものとなる。また、固着時の溶融ハンダの表面に形成される酸化膜の発生を抑制し、良好なぬれ性を維持し、溶融ハンダ中へのボイドの発生を低減し得るものとなる。
【0009】
【発明実施の形態】
以下、図1〜図9を用いて、本発明の一実施形態による冷却部品取付方法及びモジュール封止方法について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による冷却部品取付装置の全体構成について説明する。なお、本実施形態においては、熱伝導部材としてハンダを用い、ハンダにより冷却部品と多層配線基板上に搭載されたLSIとを接続するものである。
【0010】
チャンバー10の内部には、下ヒータ20と、上ヒータ30が配置されている。下ヒータ20は、電源22によって通電されることにより、発熱する。下ヒータ20の近傍には、熱電対のような温度センサ24が配置されており、下ヒータ20や下ヒータ20に取り付けられる部材の温度を検出している。また、下ヒータ20は、固定されている。
【0011】
上ヒータ30は、複数のスプリング32によって支持板34に懸架されている。下ヒータ30は、電源36によって通電されることにより、発熱する。上ヒータ30を支持する支持板36は、シャフト42を介して、クラッチ機構40に接続されている。また、クラッチ機構40は、ベルト52によってステッピングモーター50に連結されている。ステッピングモーター50の駆動力は、ベルト52及びクラッチ機構50を介して、支持板34に伝達され、上ヒータ30を上下動する。クラッチ機構50は、速度を切り替えるために用いられており、内部のギアの切替により、上ヒータ30の上下動の速度を、高速と中速と低速の3種類の速度に切り替える。また、上ヒータ30の近傍には、熱電対のような温度センサ38が配置されており、上ヒータ30や上ヒータ30に取り付けられる部材の温度を検出している。
【0012】
チャンバー10の内部は、真空ポンプ60によって真空引きされる。チャンバー10の内部の圧力は、圧力センサ12によって測定される。また、チャンバー10の内部の酸素濃度は、O2センサ14によって測定される。また、図示しない窒素ガス供給源に収容された窒素(N2)ガス及びヘリウムガス供給源に収容されたヘリウム(He)ガスは、制御手段80を用いて、ON/OFFバルブ74,76の開閉を切り替え、チャンバー10の内部に導入される。
【0013】
制御手段80は、温度センサ24,38によって検出された温度が、所定温度になるように、電源22,36のオン・オフや通電量を制御する。制御手段80は、クラッチ機構40の速度切替やステッピングモーター50のオン・オフを制御して、上ヒータ30の上下動制御を行う。また、制御手段80は、圧力センサ12によって測定されたチャンバー10の内部の圧力や、O2センサによって検出されたチャンバー10の内部の酸素濃度に基づいて、真空ポンプ60のオン・オフや、ON/OFFバルブ74,76のオン・オフ切替を制御する。
【0014】
次に、図2〜図6を用いて、本実施形態による冷却部品取付装置を用いた冷却部品の取付工程について説明する。
図2は、冷却部品の取付工程の途中状態を示す側面図であり、図3は、冷却部品の取付工程の取付完了状態を示す側面図であり、図4は、冷却部品の取付工程におけるチャンバー内圧力の変化を示すタイミングチャートであり、図5は、冷却部品の取付工程における上下ヒータ間の距離の変化を示すタイミングチャートであり、図6は、冷却部品の取付工程における部品の温度変化を示すタイミングチャートである。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0015】
最初に、図2を用いて、LSIの搭載された多層配線基板に、水冷ジャケットを取り付ける場合の構成について説明する。
下ヒータ20には、均熱治具90を用いて、放熱フィンの形成された冷却部品である水冷ジャケット100が位置決めされ、固定されている。均熱治具90は、水冷ジャケット100を位置決めした上で、保持するとともに、下ヒータ20の熱を水冷ジャケット100に熱伝達する際に、下ヒータ20からの熱を拡散して伝達することにより、水冷ジャケット100の熱バラツキを低減している。下ヒータ20自体も、熱バラツキの少ない面ヒータを用いているが、それでも、加熱面内における熱のバラツキは、±10℃程度あるのに対して、均熱治具90を用いることにより、加熱対象である水冷ジャケット100の熱バラツキを±2℃まで低減することができる。均熱治具90には、複数の位置決めピン92と、この位置決めピン92に挿入されたスプリング94が設けられている。水冷ジャケット100の上には、ハンダ110が予め供給されている。また、水冷ジャケット100の外周に設けられた封止部102の上面にも、ハンダ114が供給されている。
【0016】
また、上ヒータ30には、均熱治具96を用いて、複数のLSI106が取り付けられた多層配線基板104が位置決めされ、固定されている。均熱治具96は、均熱治具90と同様に、多層配線基板104を位置決めした上で、保持するとともに、上ヒータ30の熱を多層配線基板104に熱伝達する際に、上ヒータ30からの熱を拡散して伝達することにより、多層配線基板104の熱バラツキを低減している。均熱治具96には、均熱治具90に設けられた位置決めピン92に対応して、位置決め穴98が形成されている。LSI106の上面(図示する状態では、下面)には、ハンダ112が予め供給されている。このとき、上下の均熱治具は、位置決めピンに取り付けられたバネにより、両者を引き離す反発力を受け、冷却部品とLSI上のハンダが接触しない距離を保っている。
【0017】
なお、水冷ジャケット100に供給されているハンダ110の位置は、LSI106の上面の位置に対応する位置である。また、LSI106は、ハンダボール等を用いて、多層配線基板104に接合されているが、このとき用いるハンダボールの融点は、ハンダ110,112,114よりも高いものである。例えば、ハンダ110,112,114として、錫−鉛系の融点が183℃のハンダを用いる場合には、LSI106の固着用のハンダは、これらのハンダの融点よりも、融点が約30℃高い錫−銀系のハンダを用いている。
【0018】
また、加熱は、窒素やヘリウムなどの不活性ガスが充填されたチャンバ内で実施し、ハンダの酸化を抑制している。さらに、このガスの圧力は、制御手段80により、ON/OFFバルブ74,76を操作し、数Torr〜1500Torrまで任意に変化させることができる。
【0019】
なお、図2に示した状態は、冷却部品の取付工程の途中状態を示しており、このとき、ハンダ110とハンダ112は、接触する直前の状態である。このときの下ヒータ20と、上ヒータ30の間の距離を、D3とする。
【0020】
この後、ヒータ移動速度を低速に切替え、図4に示す固着完了時のD4の位置までヒータを接近させる。その後、この位置を維持したまま冷却を行うことにより、冷却部品の取付が完了する。
【0021】
次に、本実施形態による冷却部品取付装置の動作について、図4〜図6を用いて、説明する。
図4に示すように、チャンバー10内の下ヒータ20及び上ヒータ30に、ワークである水冷ジャケット100及び多層配線基板104をセットした後、図1に示した制御手段80は、真空ポンプ60の動作を開始して、チャンバー10の内部を真空引きして、減圧する。ここで、図4の縦軸は、チャンバー10の内部圧力を示している。例えば、図4の時刻t0に真空ポンプ60を作動したとすると、真空ポンプ60の動作開始前のチャンバー10の内部圧力P1は、大気圧(約760Torr)である。そして、真空引きが開始することにより、チャンバー10の内部が減圧される。チャンバー10の内部を減圧することによって、チャンバー10の内部の酸素濃度を低減する。
【0022】
制御手段80は、圧力センサ12を用いて、チャンバー10の内部圧力を検出し、内部圧力が、例えば、時刻t1において、P2になると、真空ポンプ60を停止する。例えば、圧力P2は、0.2Torrに設定する。
【0023】
次に、制御手段80は、バルブ74を開き窒素ガスを、チャンバー10の内部に導入する。制御手段80は、圧力センサ12を用いて、チャンバー10の内部圧力を監視して、内部圧力がP1になるまで、窒素ガスをチャンバー10の内部に導入する。例えば、時刻t2に、内部圧力がP1になると、制御手段80は、バルブ74を閉じる。上述の方法によって、チャンバー内部の酸素濃度が低下する。そこで、制御手段80は、酸素濃度センサ14を用いて、チャンバー10の内部の酸素濃度を検出する。チャンバー内に、酸素ガスの残留量が多いと、ハンダ110,112,114が溶融した後、ハンダ110とハンダ112の固着が完了するまでの間(ハンダの溶融時間)に、ハンダ110,112の表面に酸化膜が形成され、酸化膜が形成されると、ハンダ固着後のボイドの原因となるため、残留酸素ガスの濃度が所定濃度以下になるようにしている。
チャンバー内部の残留酸素濃度と、ハンダ溶融時間との関係について調べたところ、残留酸素濃度が0.3ppm以下であれば、酸化膜の成長は、一定の厚さまで成長した後は、それ以上成長しないことが判明した。そこで、窒素ガス封入後の酸素濃度は、0.3ppm以下になるようにしている。酸素濃度が所定濃度以下になると、次の工程に進む。酸素濃度が所定濃度以下でない場合には、時刻t0〜t3の工程,即ち、チャンバー10内部の減圧,チャンバー10への窒素ガスの導入,酸素濃度チェックの工程を繰り返す。
【0024】
酸素濃度が、所定濃度以下であれば、制御手段80は、時刻t3において再び、真空ポンプ60を作動させて、チャンバー10の内部を減圧する。そして、チャンバー10の内部の圧力が、再び、P2になると、時刻t4において、制御手段80は、バルブ76を開くと共に、流路切替弁78を作動させて、ヘリウムガスを、チャンバー10の内部に導入する。制御手段80は、圧力センサ12を用いて、チャンバー10の内部圧力を監視して、内部圧力がP1になるまで、ヘリウムガスをチャンバー10の内部に導入する。内部圧力がP1になると、制御手段80は、バルブ76を閉じる。そこで、制御手段80は、酸素濃度センサ14を用いて、チャンバー10の内部の酸素濃度を検出して、所定濃度以下であることを確認する。
【0025】
酸素濃度が、所定濃度以下であれば、制御手段80は、時刻t5において再び、真空ポンプ60を作動させて、チャンバー10の内部を減圧する。そして、チャンバー10の内部の圧力が、再び、P2になると、時刻t6において、制御手段80は、バルブ76を開いて、ヘリウムガスを、チャンバー10の内部に導入する。制御手段80は、圧力センサ12を用いて、チャンバー10の内部圧力を監視して、内部圧力がP3になるまで、ヘリウムガスをチャンバー10の内部に導入する。内部圧力がP3になると、制御手段80は、バルブ76を閉じる。ここで、内部圧力P3は、例えば、50Toorとしている。大気圧よりも減圧した状態としていることによって、この後、ハンダを溶融した際に、ハンダ内部に存在するボイドが、外部に取り出される。このように、圧力をP3とするのは、ハンダ内部に存在するボイドを取り出すためのものであるため、大気圧よりも低くすればよいものである。また、このときの圧力は、ヒーターの熱を均熱治具,多層配線基板,水冷ジャケットに効率的に伝えることが可能な最低限のガス量により決まる。例えば、圧力P3は、50Toor〜760Toorの間で可変できる。
【0026】
ここで、ガスの種類の切替は、以下の理由で行っている。
ヘリウムガスは、窒素ガスに比べて、熱伝導率が高いため、ハンダの溶融・固着時には、チャンバー10の内部をヘリウムガス雰囲気としている。但し、ヘリウムガスは、窒素ガスに比べて高価であるため、チャンバー10の内部の酸素濃度が所定濃度になるまでは、チャンバーの減圧と窒素ガス導入を行うことにより、使用するガスのコストを低減するようにしている。
【0027】
次に、時刻t7において、チャンバー10の内部の圧力がP3になると、図5に示すように、制御手段80は、モータ50を駆動して、上ヒータ30を下降させる。ここで、図5の縦軸は、図2に示した下ヒータ20の均熱治具90との接触面と上ヒータ30の均熱治具94との接触面の間の距離Dを示している。時刻t0〜t7間での間、上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離は、D1である。距離D1は、冷却部品の取付工程開始時の距離であり、図5に示す距離D4は、冷却部品取り付け完了時の上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離である。距離D4が、例えば、35mmであるとき、距離D1は、例えば、85mmである。即ち、固着開始前から固着完了時までの上ヒータ30の移動量は、50mm(=85−35)である。
【0028】
制御手段80は、ステッピングモータ50に供給するパルス数によって、上ヒータ30の移動量を制御できるため、上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離がD2になるまで、上ヒータ30を下降する。距離D2は、例えば、40mmである。このとき、制御手段80は、クラッチ機構40の内部のギア比を切り替えて、上ヒータ30を高速度v1で下降させる。上ヒータ30の下降速度は、例えば、2mm/sとしている。上ヒータ30の下降量は、約45mmであるため、約22.5秒間の短時間で、上ヒータ30を距離D2の位置まで高速で下降できる。
【0029】
時刻t8において、上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離がD2になると、制御手段80は、モータ50の駆動を停止して、上ヒータ30の下降を停止するとともに、電源22,36をオンして、下ヒータ20及び上ヒータ30への通電を開始する。
【0030】
ここで、図6は、下ヒータ20によって加熱される下側の均熱治具90の温度及び上ヒータ30によって加熱される上側の均熱治具96の温度Tを示している。水冷ジャケット90は、窒化アルミニウム(AlN)製であり、一方、多層配線基板104は、セラミックスや金属の接合体製であるため、両者の材質が異なるとともに、両者の重量も異なるため、両者の熱容量が異なっている。そこで、本実施形態においては、図1若しくは図2に示したように、水冷ジャケット90を加熱するためのヒータ20と、多層配線基板104を加熱するためのヒータ30を独立のヒータとするとともに、ヒータ電源22,36も独立したものを用いることにより、両者を独立して温度制御できるようにしている。
【0031】
図6に示すように、時刻t8において、通電を開始したとすると、通電開始前の温度T1は常温であり、その後、通電の経過とともに、温度が上昇する。そして、温度センサ24,38を用いて、均熱治具90,96の温度を監視して、時刻t9に、温度がT2になると、その温度を維持するように、電源22,36を制御する。ここで、温度T2は、ハンダ110,112,114の融点よりも、30℃高い温度としている。例えば、ハンダ110,112,114の融点が、183℃の場合、温度T3を210℃としている。ハンダ110,112,114の温度が融点以上になると、ハンダ110,112,114は、溶融を開始する。
【0032】
なお、上述したように、本実施形態においては、水冷ジャケット90を加熱するためのヒータ20と、多層配線基板104を加熱するためのヒータ30を独立のヒータとするとともに、ヒータ電源22,36も独立したものを用いているので、水冷ジャケット90の温度と多層配線基板104の温度とが、同一の時刻t9に、同じ温度T2となるように制御することができる。両者が同一の時刻に同一温度となるようにタイミングを合わせることにより、ハンダが溶融している時間をできるだけ短くすることができ、その結果、溶融ハンダの表面に形成される酸化膜の生成量を低減して、ボイドの発生を低減することができる。
【0033】
次に、図5に示すように、時刻t9において、均熱治具90,96の温度が所定温度T2以上になると、制御手段80は、モータ50を駆動して、上ヒータ30の下降を開始する。このとき、制御手段80は、クラッチ機構40を切り替えて、上ヒータ30の下降速度を中速度v2としている。中速度v2は、例えば、50μm/sである。そして、制御手段80は、上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離がD3になると、クラッチ機構40を切り替えて、上ヒータ30の下降速度を低速度v3としている。低速度v3は、例えば、9μm/sである。ここで、距離D3は、例えば、36mmである。最終的な固着完了時の距離D4は、35mmであるので、固着完了時よりも、1mm浮いた位置である。上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離がD3になると、水冷ジャケット90の上に供給されたハンダ110と、LSI106の上面に供給されたハンダ112が接触する。ハンダ110,112の高さは、ハンダの量によって異なるため、ハンダの量に応じて、距離D3は、下側のハンダと上側のハンダが接触する直前の距離となるように設定することができる。従って、ハンダ同士が接触するまで余分なハンダ溶融時間を短くすることになり、ハンダぬれ拡がりを阻害する表面酸化膜の形成を低減することができる。
【0034】
上述したように、本実施形態においては、下側のハンダと上側のハンダが接触を開始すると、上ヒータの下降速度v3を、その前の下降速度v2よりも低速になるようにしている。その結果、互いに溶融しているハンダ同士が、ゆっくりと押しつけられていくことになる。
【0035】
ボイドの発生を抑えるためには、溶融したハンダ同士を点接触させ、徐々に等方的に接触面積を増加させることが必要となる。ここで、ハンダ同士の接触後の上ヒータの下降速度v3が早いと、ハンダのぬれ拡がりによる流動よりも、強制的な流動が大きく、複数箇所での接触が生じたり、等方的な拡がりが行えないため、チャンバー10内のヘリウムガスが上下のハンダの隙間に封じ込められるため、固着したハンダ内にボイドが発生しやすくなることが判明した。そこで、溶融したハンダ同士をゆっくりと接触させることにより、ハンダ内部にヘリウムガスを封じ込めることを防ぎ、ボイドの発生を抑制している。ハンダ同士の固着時の上ヒータの下降速度v3を変えて、ボイドの発生率の変化について検討したところ、下降速度,即ち、固着速度を20μm/s以下にすると、ボイドの発生率を3%以下に抑えられることが判明した。
【0036】
即ち、本実施形態においては、ハンダ溶融後において、ハンダ同士が接触するまでの上ヒータの下降速度v2は、その後の固着速度v3に比べて早くすることにより、ハンダが溶融状態にあるハンダ溶融時間を短縮して、溶融ハンダの表面に形成される酸化膜の発生を抑制し、良好なぬれ性を維持し、また、ハンダ同士が接触した後の上ヒータの下降速度,即ち、固着速度v3を速度v2に比べて遅くすることにより、ハンダ固着時における溶融ハンダ中へのヘリウムガスの封じ込めによるボイドの発生を低減することができる。
【0037】
次に、図5に示すように、制御手段80は、上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離が、時刻t10において、距離D4になるまで、上ヒータ30を下降させる。距離D4は、例えば、35mmである。この状態は、図3に示すようになる。なお、図2と同一符号は、同一部分を示している。このとき、図1に示したように、上ヒータ30は、スプリング32によって、支持板34に懸架されているならい構造としているため、水冷ジャケット100とLSI106とが互いに平行でない場合でも、徐々に上ヒータ30が下降する過程で、多層配線基板104を、水冷ジャケット100に均一に押しつけることができる。上ヒータ30と下ヒータ20の間の距離がD4になると、制御手段80は、上ヒータ30の下降を停止して、上ヒータ30をその位置に保持する。即ち、LSI106の取り付けられた多層配線基板104を、スプリング94のバネ力に抗して、水冷ジャケット100に押しつけた状態とする。
また、このとき、図2に示した封止部102のハンダも溶融しており、多層配線基板104に接触する。
【0038】
次に、図4に示すように、時刻t11において、制御手段80は、バルブ76を開いて、ヘリウムガスをチャンバー10の内部に導入する。制御手段80は、圧力センサ12を用いて、チャンバー10の内部圧力を監視して、内部圧力がP4になるまで、ヘリウムガスをチャンバー10の内部に導入する。時刻t12において、内部圧力がP4になると、制御手段80は、バルブ76を閉じる。ここで、内部圧力P4は、例えば、1400Toorとしており、大気圧よりも高い圧力としている。時刻t10以降においては、ハンダは溶融した状態であるので、ハンダの内部にヘリウムガスが封じ込められたとしても、チャンバー10の内部圧力を封じ込められたときのヘリウムガスの圧力(P3)よりも高くすることにより、内部に封じ込められたヘリウムガスが、外部との圧力差(P4−P3)によって潰されるため、ボイドの大きさを小さくすることができる。
【0039】
次に、時刻t13において、制御手段80は、ヒータ20,30への通電を停止する。これによって、図6に示すように、均熱治具90,96の温度は、自然冷却により低下する。
そして、制御手段80は、温度センサ24,38により、均熱治具90,96の温度がT3以下になったことを検出する。温度T3は、ハンダ110,112,114の融点以下の温度である。ハンダの融点が、例えば、183℃とすると、温度T3は、例えば、150℃としている。
【0040】
時刻T14において、温度T3になると、次に、図5に示すように、制御手段80は、モータ50を駆動して、上ヒータ30を上昇させる。そして、均熱治具90と均熱治具94の間の距離がD1になるまで、上ヒータ30を上昇させる。このとき、制御手段80は、クラッチ機構40の内部のギア比を切り替えて、上ヒータ30を高速度v1で上昇させる。上ヒータ30の上昇速度は、例えば、2mm/sとしている。上ヒータ30の上昇量は、約50mmであるため、約25秒間の短時間で、上ヒータ30を元の位置まで高速で上昇できる。時刻t15において、均熱治具90と均熱治具94の間の距離がD1になると、制御手段80は、モータ50の駆動を停止して、上ヒータ30の上昇を停止する。
【0041】
次に、図6及び図4に示すように、制御手段80は、時刻t16において、チャンバー10の内部の温度がT4以下になると、チャンバー10の内部のヘリウムガスを外部に放出する。チャンバー10の内部の圧力は、P1(大気圧)となる。温度T4は、ヘリウムガスの温度が高温でなければよいため、例えば、50℃〜100℃としている。
【0042】
以上の工程を経ることによって、多層配線基板104に取り付けられたLSI106と、水冷ジャケット100を、ハンダ110,112によって固着することができ、高い冷却性能となる構造のモジュールを完成することができる。
【0043】
以上説明したように、本実施形態においては、ハンダを溶融し、固着する際には、チャンバーの内部圧力P3を、大気圧よりも減圧した状態としていることによって、ハンダを溶融した際に、ハンダ内部に形成されているボイド中の気体成分が、ハンダ内部から吸引され、ハンダ内部にボイドが形成されることを低減することができる。
また、溶融したハンダを固着後、チャンバーの内部圧力を、大気圧よりも高い圧力P4としているので、溶融・固着したハンダの内部にヘリウムガスが封じ込められたとしても、チャンバー10の内部圧力を封じ込められたときのヘリウムガスの圧力(P3)よりも高くすることにより、内部に封じ込められたヘリウムガスが、外部との圧力差(P4−P3)によって潰されるため、ボイドの大きさを小さくすることができる。
また、水冷ジャケットとLSIは、熱伝導率の高いハンダによって直接固着しているため、LSIの発熱量が大きくなっても、冷却性能を向上することができる。
【0044】
次に、図7〜図9を用いて、本実施形態によるモジュールの封止方法について説明する。
最初に、図7を用いて、図1〜図6において説明した工程により形成されたモジュールの詳細な構造について説明する。なお、図1〜図6と同一符号は同一部分を示している。
【0045】
図2に示した構成では、図示を省略しているが、モジュール130を構成する複数のLSI106は、多層配線基板104に、ハンダボール116により接続固定されている。また、多層配線基板104には、フレーム105が、例えば、錫−銀系の融点の高いハンダによって固着されている。
【0046】
図1〜図6に示した冷却部品取付方法により、LSI106と冷却ジャケット100は、ハンダ111により固着されている。なお、ハンダ111は、図2に示したハンダ110とハンダ112が融着したものである。また、冷却ジャケット100とフレーム105は、ハンダ114により固着されている。
【0047】
さらに、本実施形態においては、フレーム105の側面には、フレーム105の側面には気密封止穴118が形成されている。従って、図1〜図6に示した工程の、特に、図4の時刻t12〜t16に示す工程によって加圧雰囲気で、ハンダ接合したときに、モジュール130の内部空間128も加圧雰囲気となっているが、その後、大気戻しを行うことによって、モジュール130の内部空間128も大気状態となっている。
【0048】
また、気密封止穴118には、図8を用いて後述するモジュール封止装置により、ポートネジ120が取り付けられる。ポートネジ120には、Oリングのようなシール材122が取り付けられており、シール材122が、気密封止穴118の側面と密着することにより、モジュール130の内部を気密封止できる構造となっている。
【0049】
次に、図8を用いて、本実施形態によるモジュール封止装置の構成について説明する。
図8は、本発明の一実施形態によるモジュール封止装置の構成を示す側面図である。
【0050】
モジュール封止装置200のチャンバー202内部には、XYテーブル204が設置されている。XYテーブル204上には、セット治具206が設置されている。モジュール130は、セット治具206の上に載置されて、位置決めされる。
また、位置決めされたモジュール130には、ポートネジセット治具210がセットされる。
【0051】
ここで、図9を用いて、ポートネジセット治具210の構成について説明する。なお、図8と同一符号は、同一部分を示している。
図9は、本発明の一実施形態によるモジュール封止装置に用いるポートネジセット治具の構成を示す側面図である。
【0052】
モジュール130を構成するフレーム105は、締結ネジ穴105Aを有している。締結ネジ穴105Aは、フレーム105と図示しない冷却ジャケットカバーを締結するため用いられるものである。
ポートネジセット治具210は、セットネジ212を締結ネジ穴105Aにねじ込むことにより、フレーム105に設置される。次に、ポートネジセット治具210には、シール材122付きポートネジ120が設置される。
【0053】
次に、図7に戻り、モジュール封止装置200のチャンバー202には、ポートネジ締結ユニット230が配置されている。ポートネジ締結ユニット230は、スライド部232上を矢印X方向に往復動可能である。ポートネジ締結ユニット230は、モータ234と、モータ234の出力トルクを調整するトルクコントロール部236と、トルクコントロール部236に取り付けられたドライバービット238とから構成されている。モータ234の出力トルクは、トルクコントロール部236によって調整されるとともに、モータ234の回転がドライバービット238に伝達される。ドライバービット238は、ポートネジセット治具210にセットされたポートネジ120を回転させる。
【0054】
また、モジュール封止装置200のチャンバー202には、バルブ220を介して真空ポンプ222が接続されており、チャンバー202の内部を減圧することができる。また、チャンバー202には、バルブ224を介して、大気が導入可能である。さらに、チャンバー202には、バルブ226を介して、ヘリウム(He)ガス228が導入可能である。
【0055】
次に、本実施形態によるモジュール封止装置200を用いたモジュール封止方法について説明する。
モジュール封止装置200を作動させると、最初に、バルブ220を開き、真空ポンプ222を用いてチャンバー202内の圧力を第1の圧力P5まで低下させる。ここで、第1の圧力P5は、例えば、0.2Torr以下としている。真空ポンプ222を用いて、モジュール130内を脱気する。
【0056】
次に、バルブ226を開き、チャンバー202に配管された不活性ガスボンベ228から、不活性ガスを導入する。また、このとき、チャンバー202内の圧力が第2の圧力P6となるように、圧力センサ等を用いて圧力調整する。ここで、不活性ガスとしては、例えば、ヘリウムや窒素を用いることができる。また、第2の圧力P6は、例えば、大気圧(760Toor)としている。
【0057】
次に、XYテーブル204を移動させ、モジュール130のポートネジ穴部118をポートネジ締結ユニット230の横に位置決めする。そして、ポートネジ締結ユニット230をスライド部232を用いて横行させ、モーター234を回転させることにより、ドライバービット238でポートネジセット治具230に載置してあるポートネジ120を気密封止穴118に締結する。この時、トルクコントロール部236にて、任意のトルクで締結することができる。
なお、気密封止穴118は、1カ所としているが、複数箇所ある場合には、ポートネジ120の締結動作を繰り返すことになる。
次に、バルブ224を開いて、チャンバー202内に大気を導入し、大気圧戻しが行われた後、モジュールをチャンバーから取り出す。
【0058】
以上説明したように、図1〜図6において説明したように、加圧雰囲気で、LSI106と水冷ジャケット100をハンダ111によって接着した場合でも、モジュール130には、気密封止穴118が設けてあるため、モジュール130の内部が加圧状態に保たれることがないものである。
【0059】
また、モジュール130の気密封止は、不活性ガス雰囲気中で行われるため、モジュール130の内部に湿り気を帯びた大気が封止されることがないものである。一般にモジュールの動作時には、モジュールの内部温度は数十度まで上昇し、また、モジュールを停止すると常温まで下降する。このとき、モジュール内部に大気が封入されていると、モジュール内部に結露が生じ、配線等が酸化したり、マイグレーションしたりすることがあるが、内部に不活性ガスを封入することにより、かかる事態の発生を防止することができる。
【0060】
また、モジュール内部には、大気圧(1気圧)の不活性ガスを封入するようにしているため、例え、モジュールが動作することにより、モジュール内部の温度が上昇した場合でも、モジュール内部の圧力が異常に高くなり、LSI等が破壊することを防止できる。例えば、モジュール内部に大気圧の不活性ガスを封入し、LSIチップが80℃まで上昇した場合、モジュールの内圧は、約1.1気圧までしか上昇しないため、LSI等の破壊を防止することができる。モジュール封入時のモジュールの内圧P2は、任意の圧力とすることができるが、あまり高い圧力では、モジュール動作時の発熱により、内圧が上昇し過ぎるため、大気圧程度が適当である。
【0061】
以上説明したように、本実施形態によれば、モジュールを、密閉したチャンバー内に収納し、このチャンバー内の圧力を低下させ、モジュール内も同様に減圧脱気した後、チャンバーの内部に不活性ガスを供給し、任意の第2の圧力とした状態で、封止穴に封止用ネジを供給・締結し、さらに上記チャンバー内部の圧力を大気圧になるまで戻すことにより、上記モジュール内を任意の封止圧で気密封止することができ、また、不活性ガスを用いることで、結露を防止し得るものとなる。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、LSIと水冷部品をはんだ材等で固着する冷却構造においても、冷却性能を向上することができる。
また、モジュールの内部圧を低圧に保つことのできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置の全体構成を示す説明図である。
【図2】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置による冷却部品の取付工程の途中状態を示す側面図である。
【図3】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置による冷却部品の取付工程の取付完了状態を示す側面図である。
【図4】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置による冷却部品の取付工程におけるチャンバー内圧力の変化を示すタイミングチャートである。
【図5】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置による冷却部品の取付工程における上下ヒータ間の距離の変化を示すタイミングチャートである。
【図6】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置による冷却部品の取付工程における部品の温度変化を示すタイミングチャートである。
【図7】本発明の一実施形態による冷却部品取付方法により形成されたモジュールの詳細な構造を示す断面図である。
【図8】本発明の一実施形態によるモジュール封止装置の構成を示す側面図である。
【図9】本発明の一実施形態によるモジュール封止装置に用いるポートネジセット治具の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
10…チャンバー
12…圧力センサ
14…O2センサ
20…下ヒータ
22,36…電源
30…上ヒータ
32…スプリング
34…支持板
38…温度センサ
40…クラッチ機構
50…ステッピングモーター
60…真空ポンプ
80…制御手段
100…水冷ジャケット
104…多層配線基板
105…フレーム
110,111,112,114…ハンダ
118…気密封止穴
120…ポートネジ
200…モジュール封止装置
222…真空ポンプ
228…不活性ガス
Claims (1)
- 下ヒータの上に冷却部品を載置し、上下動可能な上ヒータに基板を保持し、上記冷却部品の上に供給されたハンダを溶融して、 基板に取り付けられた電子部品に、冷却部品をハンダ固着により取り付ける冷却部品取付方法において、
上記電子部品と上記冷却部品を溶融したハンダを介して接触させるとともに、加圧雰囲気中で、上記電子部品と上記冷却部品を固着した後、大気戻しをするとともに、
ハンダ溶融後において、ハンダ同士が接触するまでの上ヒータの下降速度v2を、その後の固着速度v3よりも早くすることを特徴とする冷却部品取付方法。
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